基于SCB试验的沥青混凝土低温裂缝分布特征研究.pdf

作 者 简 介：何 梦 霞（），女，江 西 抚 州 人，大 学 专 科，助 理 工 程 师，主 要 从 事 高 速 公 路 养 护 工 作。基于试验的沥青混凝土低温裂缝分布特征研究何 梦 霞，苏 勇 文（江 西 省 交 通 投 资 集 团 有 限 责 任 公 司 赣 州 管 理 中 心，江 西 赣 州）摘要：文 章 基 于室 内 试 验，研 究 了 温 度（、）、空 隙 率（、）和 断 裂 失效 模 式（型、型、混 合 型）对 沥 青 混 凝 土 低 温 裂 缝 分 布 特 征 的 影 响。结 果 表 明：断 裂 韧 性随 着 空 隙 率 和 温 度 的 增 加 而 降 低，处 于 同 等 温 度 和 空 隙 率 时，混 合 型 失 效 模 式 下 的 断 裂 韧 性 较小，而型 失 效 模 式 下 较 高，表 明 沥 青 混 凝 土 在 拉 剪 混 合 作 用 下 更 易 发 生 低 温 开 裂。裂 缝 总 长 度 随空 隙 率 和 温 度 的 增 加 而 增 长，且 在型 失 效 模 式 下 最 为 明 显。此 外，和时，集 料 中 裂 缝占 总 裂 缝 长 度 的，并 随 空 隙 率 的 减 小 而 增 加；时，裂 缝 几 乎 不 再 穿 过 集 料，而 向 沥 青混 凝 土 或 集 料 边 缘 扩 展。关 键 词：沥 青 混 合 料；低 温 开 裂 特 性；温 度；空 隙 率；断 裂 加 载 模 式前言沥 青 混 凝 土 作 为 应 用 最 为 广 泛 的 道 路 铺 面 材料，在 基 础 设 施 建 设 中 具 有 举 足 轻 重 的 地 位，但 沥青 混 凝 土 铺 装 的 病 害 问 题 却 一 直 伴 随 左 右。随 着科 学 研 究 不 断 深 入 以 及 施 工 技 术 水 平 和 施 工 机 械化 程 度 的 不 断 提 高，诸 多 病 害 已 得 到 有 效 控 制，而作 为 影 响 较 为 严 重 的 沥 青 混 合 料 低 温 开 裂 问 题，却未 得 到 有 效 解 决，仍 是 现 今 沥 青 铺 面 的 主 要 病 害 之一，且 因 其 成 因 复 杂、种 类 繁 多，更 加 大 了 防 治 难度。因 此，沥 青 混 凝 土 低 温 抗 裂 性 及 其 相 关 研 究 一直 以 来 都 是 国 内 外 学 者 研 究 的 重 点 与 热 点。等研 究 了 厚 度 和 缺 口 结 构 对 沥 青 混 凝土 试 件 应 力 强 度 因 子 和 开 裂 能 的 影 响；等应 用试 验 沥 青 混 凝 土，并 揭 示 了 空 隙 率 对 低 温下 沥 青 混 凝 土 的型 开 裂 韧 性 的 影 响，并 采 用 不 对称 半 圆 弧 弯 曲（）试 验 研 究 了 集 料 类 型 和 粒径、沥 青 类 型 和 空 隙 率 对 不 同 沥 青 混 凝 土 低 温型 开 裂 行 为 的 影 响；等对 现 有 试 验 进行 了 分 析，并 给 出 了 评 价 沥 青 混 凝 土 耐 低 温 开 裂 性能 的 评 价 标 准；等基 于 半 圆 弧 弯 曲（）试验，从 能 量 角 度 评 价 沥 青 混 凝 土 的 开 裂 特 性。研 究了 沥 青 混 凝 土 类 型、级 配 类 型、温 度 和 预 设 裂 缝 深度 对 应 力应 变 曲 线 的 影 响。现 有 文 献 偏 重 于型失 效 模 式 下 的 沥 青 混 合 料 低 温 开 裂 分 析，涉 及型失 效 模 式 和混 合 型 失 效 模 式 的 研 究 较 少，同时，综 合 考 虑 断 裂 失 效 模 式 和 温 度 复 合 影 响 的 研 究更 是 鲜 有 涉 及。目 前 有 许 多 成 熟 的 试 验 方 法 可 以 应 用 于 沥 青混 凝 土 断 裂 性 能 的 研 究，如（四 点 弯 曲）、（三 点 弯 曲）、（圆 盘 张 拉）、（间 接 拉 伸）、（半 圆 弯 曲）等。、方 法 简 便，但 适 用型 模 式 的 研 究，无 法 满 足 多 种 断 裂 模 式 的 研 究 需要；能 实 现 多 种 失 效 模 式、并 且 所 测 得 的 数 据与 真 实 情 况 较 接 近，但 试 验 要 求 复 杂 且 数 据 离 散 性高。而相 比 于 其 他 试 验 方 法，试 验 过 程 简 便、易 控 制；原 理 明 确，可 实 现 多 种 失 效 模 式；既 能 高效、准 确 模 拟 实 际 路 面 工 程 开 裂，又 对 设 备、加 载 环境 要 求 不 苛 刻。鉴 于 此，本 文 针 对 沥 青 混 凝 土 低 温 开 裂 问 题，采 用 半 圆 弯 曲 试 验 方 法（），研 究 并 分 析 了 不 同温 度、断 裂 失 效 模 式 和 空 隙 率 对 沥 青 混 凝 土 低 温 断裂 性 能 和 裂 缝 扩 展 的 影 响 规 律。研 究 成 果 有 助 于加 深 对 沥 青 混 凝 土 低 温 开 裂 科 学 问 题 的 理 解，为 完善 沥 青 混 凝 土 抗 裂 性 设 计 提 供 依 据。材料 原 材 料（）基 质 沥 青本 文 选 择 齐 鲁 石 化 公 司 生 产 的级号 道 路石 油 沥 青，其 技 术 指 标 见 表，均 符 合 公 路 工 程 沥青 及 沥 青 混 凝 土 试 验 规 程（）中的 相 关 试 验 规 程 测 定。表沥 青 技 术 指 标指 标要 求试 验 数 据针 入 度（，）软 化 点（环 球 法）延 度后质 量 变 化 针 入 度 比 延 度（）集 料 和 矿 粉沥 青 混 凝 土 中 除 沥 青 外，还 包 括 粗、细 集 料 和矿 粉。粗 集 料 为 沥 青 混 凝 土 提 供 基 本 骨 架 结 构；细集 料 填 充 骨 架 结 构 的 较 大 空 隙；矿 粉 与 沥 青 形 成 沥青 砂 浆 填 补 粗、细 集 料 之 间 的 空 隙，三 者 的 基 本 特性 共 同 影 响 沥 青 混 凝 土 的 路 用 性 能。本 文 的 粗、细集 料 选 自 山 东 省 淄 博 市 的 玄 武 岩，矿 粉 采 用 石 灰 岩矿 粉。粗、细 集 料 的 选 取 均 满 足 洁 净、无 风 化、干燥，棱 角 性 等 要 求，从 而 为 沥 青 混 凝 土 提 供 相 应 的强 度 和 粘 附 性。粗、细 集 料 和 矿 粉 的 基 本 性 能 测 试均 按 相 关 试 验 规 程开 展。筛孔尺寸（mm）191613.29.54.752.361.180.60.30.15 0.0751009080706050403020100通过百分率（%）合成级配级配上限级配下限级配中值图级 配 曲 线 配 合 比 设 计本 文 采 用混 凝 土（型），对 应 级 配 图 见图。按 照 沥 青 混 凝 土 空 隙 率确 定 最 佳 油 石 比为。加 载 因 素 确 定试 件 的 制 备 过 程 如 图所 示。将 制 备 好 的试 件 平 稳 放 置 在 加 载 模 具 上，使 预 设 裂 缝 与 上方 圆 形 辊 在 同 一 竖 直 平 面 内。借 助 卡 尺 测 量 两 侧支 撑 点 到 试 件 中 心 的 距 离，通 过 移 动 并 固 定 试 件 来实 现 不 同 的 加 载 模 式。试 验 属 于 三 点 加 载 模 式，由上 方 圆 形 辊 施 加 荷 载，底 部 两 个 圆 形 辊 支 撑 试 件，直 至 试 件 破 坏。设 备 以 及 加 载 过 程 如 图所 示。不 同 条 件 下 的 荷 载位 移 曲 线 如 图所 示。图 试 件 制 备 流 程图设 备 及 加 载 过 程0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8位移（mm）荷载（KN）20151050ModeModeMixedmode&0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8位移（mm）荷载（KN）121086420-15-510图荷 载位 移 曲 线在试 验 过 程 中，通 过 移 动 加 载 支 点 的 位 置来 改 变 参 数（），从 而 实 现 不 同 失 效 模 式的 加 载 方 式。可 通 过 式（）式（）计 算。当时，失 效 模 式 为 张 拉 型（型）；当 时，失效 模 式 为 剪 切 型（型）；当介 于之 间 时，失 效 模 式 为 剪 切张 拉 混 合 型（混 合 型）。（）（）槡（，）（）槡（，）（）式（）至（）中：、型、型 失 效 模 式 应 力 强 度 因 子；、型、型 失 效 模 式 几 何 因 子；试 件 厚 度；试 件 半 径；预 设 裂 缝 长 度；、支 点 距 中 心 距 离。本 文 所 采 用 的试 件 几 何 参 数 为：为，分 别 为、。通 过 现 有 研究获 取试 件 的 基 本 因 素（几 何 因 子），进 而获 取 混 合 参 数，计 算 结 果 见 表。表几 何 参 数 和 几 何 因 子模 式（）（）（）（）（）型 型 实 例（）型 低 温 断 裂 特 性 分 析本 文 在 不 同 温 度（、和）、空 隙率（、和）和 断 裂 失 效 模 式（、型）下，基 于试 验 研 究 沥 青 混 凝 土 开 裂 行 为。试 验 结 果本 文 选 用 断 裂 韧 性 和 裂 缝 长 度 两 个 指 标 来 分析 沥 青 混 凝 土 开 裂 特 征 规 律，其 中 断 裂 韧 性 通 过 式（）计 算，其 大 小 等 于 通 过 原 点 和 连 接比的失 效 包 络 线 的 弦 的 长 度。值 越 大，材 料 的 断 裂 韧性 越 好；裂 缝 长 度 又 可 划 分 为 总 裂 缝 长 度、集 料 中的 长 度、沥 青 砂 浆 的 长 度，以 及 在 沥 青 砂 浆 集 料界 面 处 的 长 度，试 验 结 果 见 表。槡（）表试 验 结 果（）（）模 式断 裂 韧 度（）裂 缝 长 度（）总 长 度集 料 长 度砂 浆 长 度 集 料砂 浆 长 度型 型 型 型 型 型 型 型 型 续 表（）（）模 式断 裂 韧 度（）裂 缝 长 度（）总 长 度集 料 长 度砂 浆 长 度 集 料砂 浆 长 度型 型 型 型 型 型 型 型 型 型 型 型 型 型 型 型 型 型 注：每 种 试 验 条 件 下 均 设 置组 平 行 试 件。此 外，当 裂 缝 发 生 在 加 载 支 点 处 时，此 类 试 件 不 被 记 录 断 裂 韧 性沥 青 混 凝 土 断 裂 韧 性 随 着 温 度、断 裂 加 载 模式、空 隙 率 的 变 化 规 律 见 图。由 图可 知：（）断 裂 韧 性 随 着 温 度 的 升 高 而 降 低。温 度、荷 载 类 型 以 及 空 隙 率 等 因 素 对 断 裂 韧 性 的 影 响 程度 依 次 为、。这 表 明 相 较 于 荷载 类 型 和 空 隙 率，温 度 的 改 变 对 断 裂 韧 性 的 影 响 最大。其 中 影 响 程 度 是 以 平 均 值 为 标 准，通 过 计 算 不同 温 度、荷 载 类 型、空 隙 率 下 的 差 值 进 行 对 比 得出 的。（）断 裂 韧 性 随 着 空 隙 率 的 增 加 而 降 低。在 相同 断 裂 加 载 模 式 下，空 隙 率 试 件 的 断 裂 韧 性 相 较于空 隙 率 试 件，衰 减 了（）、（）、（）；空 隙 率 试 件 的 断 裂 韧 性相 较 于空 隙 率 试 件，衰 减 了（）、（）、（）。这 表 明 当 空 隙 率 较 低 时，空 隙 率 发 生 变 化 会 对 沥 青 混 凝 土 试 件 的 抗 裂 性 能产 生 较 为 显 著 的 影 响，而 当 空 隙 率 增 加 后，沥 青 混凝 土 抗 裂 性 能 对 空 隙 率 变 化 的 敏 感 性 降 低。空 隙率 越 多，多 个 空 隙 连 通 构 成 更 大 空 隙 的 可 能 性 增大，会 增 加 出 现 结 构 缺 陷 的 概 率。另 外，沥 青 混 凝土 断 裂 特 征 受 空 隙 率 的 影 响 程 度 随 着 温 度 的 升 高而 增 强。（）型 断 裂 加 载 模 式 下 的 断 裂 韧 性 最 高，而混 合 型 断 裂 加 载 模 式 的 断 裂 韧 性 最 小，型1.61.41.21.00.80.60.40.20.0断裂韧性（MPm0.5）24610，Mixed mode&-5，Mixed mode&-15，Mixed mode&10，Mode-5，Mode-15，Mode10，Mode-5，Mode-15，Mode（）空 隙 率1.61.41.21.00.80.60.40.20.0断裂韧性（MPm0.5）Mode10，2%V-5，2%V-15，2%VModeMixed Mode&10，4%V-5，4%V-15，4%V10，6%V-5，6%V-15，6%V（）断 裂 失 效 模 式图断 裂 韧 性 规 律 变 化加 载 模 式 的 断 裂 韧 性 介 于 两 者 之 间。这 说 明 沥 青混 凝 土 抵 抗 单 一 型 荷 载 的 能 力 高 于 抵 抗 混 合 型 荷载，承 受 张 拉 荷 载 的 能 力 高 于 承 受 剪 切 荷 载。裂 缝 分 布图为 沥 青 混 凝 土 在 不 同 温 度 下 的 裂 缝 扩 展分 布。（a）-15（b）-5（c）10图不 同 温 度 下 的 裂 缝 扩 展由 图可 以 看 出，在和下，裂 缝 的 扩展 从 预 设 切 口 处，沿 近 似 直 线 的 最 短 路 径 径 直 开 裂。而 在下，裂 缝 出 现 弯 折、偏 移 等 现 象。随 着 温 度的 升 高，裂 缝 扩 展 倾 向 沿 着 薄 弱 区 域（沥 青 砂 浆 集料 交 界 处）开 裂，从 而 出 现 开 裂 路 径 更 加 曲 折。图为 不 同 空 隙 率、温 度 和 断 裂 加 载 模 式 下 裂缝 总 长 度 的 变 化 规 律。由 图可 知：（）沥 青 混 凝 土 裂 缝 分 布 受 温 度 影 响 而 改 变。当 温 度 为和时，沥 青 混 凝 土 不 同 组 分 均出 现 裂 缝 扩 展，穿 过 集 料 的 裂 缝 占 比 在 范 围 内 波 动，并 受 到 空 隙 率 和 断 裂 加 载 模 式 的 影响；而 穿 过 沥 青 砂 浆 或 沿 着 沥 青 砂 浆集 料 粘 结 处裂 缝 的 变 化 规 律 并 不 明 显，且 具 有 较 大 随 机 性。这是 因 为 低 温 环 境 下，沥 青 混 凝 土 弹 脆 性 开 裂，裂 缝穿 过 集 料 的 能 量 消 耗 高 于 其 他 两 种 路 径 破 坏，而 沥青 砂 浆 或 沥 青集 料 界 面 的 能 量 消 耗 相 近。时，裂 缝 扩 展 主 要 为 穿 过 沥 青 砂 浆 或 沿 着 集 料 边 缘开 裂，基 本 不 会 贯 穿 集 料。另 外，裂 缝 的 总 长 度 随着 温 度 升 高 而 增 加，这 是 由 于 裂 缝 扩 展 由 最 小 路 径径 直 开 裂 转 变 为 尽 可 能 避 开 集 料 开 裂 或 沿 着 集 料边 缘 曲 折 开 裂。2%4%6%Mode10Mode102%4%6%2%4%6%2%4%6%2%4%6%2%4%6%2%4%6%2%4%6%2%4%6%Mode-5Mode-5Mixedmode&10Mixedmode&-5Mode-15Mode-15Mixedmode&-15集料沥青砂浆-集料沥青砂浆75604530150裂缝长度（mm）图裂 缝 长 度 变 化 规 律（）沥 青 混 凝 土 裂 缝 总 长 度 随 着 空 隙 率 增 加 而增 长，沥 青 砂 浆集 料 和 沥 青 砂 浆 中 的 裂 缝 长 度 随着 空 隙 率 的 增 加 而 呈 总 体 增 加 趋 势，而 集 料 中 的 裂缝 长 度 随 着 空 隙 率 的 增 加 而 呈 总 体 降 低 趋 势。温度 变 化 能 够 影 响 空 隙 率 对 沥 青 混 凝 土 裂 缝 分 布 的影 响 程 度。在和下，集 料 处 发 生 的 裂 缝占 比 一 般 随 着 空 隙 率 的 增 加 而 降 低，沥 青 砂 浆集料 粘 结 界 面 处 的 裂 缝 随 空 隙 率 的 增 加 而 增 加，而 沥青 砂 浆 处 的 裂 缝 随 空 隙 率 的 变 化 规 律 不 明 显。这是 因 为 在 低 温 状 态 下，沥 青 混 凝 土 组 分 间 的 模 量 差被 缩 小，开 裂 破 坏 所 需 要 的 能 量 消 耗 差 异 小，从 而反 映 为 裂 缝 径 直 开 裂，沿 着 最 短 路 径 完 成 破 坏。在下，试 件 主 要 在 沥 青 砂 浆 和 集 料沥 青 砂 浆 粘结 处 开 裂，几 乎 不 在 集 料 中 出 现。（）混 合 型 的 裂 缝 扩 展 长 度 最 长，其 次 是型 的 裂 缝 长 度，型 裂 缝 长 度 最 短。这 说 明 了 沥青 混 凝 土 抵 抗 单 一 型 荷 载 破 坏 的 能 力 高 于 混 合 型荷 载，抵 抗 张 拉 荷 载 破 坏 的 能 力 高 于 剪 切 荷 载。结语本 文 通 过 比 选 现 有 试 验 方 法，确 定 采 用 半 圆 弯曲 试 验 方 法（）研 究 沥 青 混 凝 土 在 不 同 温 度（、和）、空 隙 率（、和）和断 裂 失 效 模 式（、型）下 的 断 裂 韧 性 和 裂缝 分 布 的 变 化 规 律，从 而 揭 示 沥 青 混 凝 土 低 温 断 裂特 性。主 要 结 论 如 下：（）断 裂 韧 性 随 着 温 度 的 升 高 而 降 低。相 较 于荷 载 类 型 和 空 隙 率，温 度 的 改 变 对 断 裂 韧 性 的 影 响最 大。同 时 沥 青 混 凝 土 的 裂 缝 分 布 受 温 度 影 响 而改 变。在和时，沥 青 混 凝 土 不 同 组 分 均出 现 裂 缝 扩 展，穿 过 集 料 的 裂 缝 占 比 在 范 围 内 波 动，并 受 空 隙 率 和 断 裂 加 载 模 式 影 响；而裂 缝 穿 过 沥 青 砂 浆 或 沿 着 沥 青 砂 浆集 料 粘 结 处 的变 化 规 律 不 明 显，具 有 较 大 随 机 性。时，裂 缝扩 展 过 程 主 要 穿 过 沥 青 砂 浆 或 沿 着 集 料 边 缘 开 裂，基 本 不 会 贯 穿 集 料。（）断 裂 韧 性 随 空 隙 率 的 增 加 而 降 低。当 空 隙率 含 量 较 低 时，空 隙 率 发 生 变 化 会 对 沥 青 混 凝 土 抗裂 性 能 产 生 显 著 影 响，而 当 空 隙 率 含 量 增 加 后，沥青 混 凝 土 抗 裂 性 能 对 空 隙 率 变 化 的 敏 感 性 降 低。同 时，沥 青 混 凝 土 断 裂 特 征 受 空 隙 率 的 影 响 程 度 随着 温 度 的 升 高 而 增 强。此 外，沥 青 混 凝 土 裂 缝 总 长度 随 着 空 隙 率 增 加 而 增 长，沥 青 砂 浆集 料 和 沥 青砂 浆 中 的 裂 缝 长 度 随 着 空 隙 率 的 增 加 而 呈 总 体 增加 趋 势，而 集 料 中 的 裂 缝 长 度 随 着 空 隙 率 的 增 加 而呈 总 体 降 低 趋 势。温 度 变 化 能 够 影 响 空 隙 率 对 沥青 混 凝 土 裂 缝 分 布 的 影 响 程 度。（）试 件 断 裂 韧 性 受 荷 载 模 式 的 影 响 规 律：型断 裂 加 载 模 式 下 的 断 裂 韧 性 最 高，而混 合 型 断裂 加 载 模 式 的 断 裂 韧 性 最 小，型 加 载 模 式 的 断 裂韧 性 略 高 于混 合 型 断 裂 加 载 模 式，介 于 两 者 之间。裂 缝 长 度 随 着 不 同 断 裂 加 载 模 式 的 规 律 为，混 合 型 的 裂 缝 扩 展 长 度 最 长，其 次 是型 的 裂缝 长 度，型 裂 缝 长 度 最 短。这 说 明 沥 青 混 凝 土 抵抗 单 一 型 荷 载 的 能 力 高 于 抵 抗 混 合 型 荷 载，承 受 张拉 荷 载 的 能 力 高 于 承 受 剪 切 荷 载。参 考 文 献：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，公 路 工 程 沥 青 及 沥 青 混 合 料 试 验 规 程 ，公 路 工 程 集 料 试 验 规 程 ，公 路 沥 青 路 面 施 工 技 术 规 范 刘 宇基 于 半 圆 弯 曲 试 验 的 沥 青 混 合 料 动 态 响 应 及 断 裂 性能 研 究 哈 尔 滨：哈 尔 滨 工 业 大 学，（上 接 第页）能 的 影 响，以 探 究 沥 青 混 合 料 在 不 同 相 对 湿 度 条 件下 力 学 性 能 下 降 规 律，以 期 为 实 际 工 程 提 供 技 术 参考。主 要 研 究 结 论 如 下：（）随 着 相 对 湿 度 的 增 加，不 同 循 环 次 数 下 的 沥青 混 合 料 的 马 歇 尔 稳 定 度 呈 下 降 趋 势。在 低 相 对 湿度 下，相 对 湿 度 的 上 升 会 破 坏 沥 青 与 集 料 之 间 的 结 合力，导 致 马 歇 尔 稳 定 度 快 速 下 降 后 缓 慢 上 升。（）沥 青 混 合 料 试 件 的 厚 度 越 低，其 试 验 值 与循 环 次 数 的 相 关 性 越 好。（）在 高 湿 度 环 境 下，混 合 料 的 稳 定 性 更 容 易受 到 影 响，可 能 需 要 采 取 适 当 的 措 施 来 减 少 水 分 的影 响，以 保 证 混 合 料 的 质 量。（）水 损 坏 对 梁 式 试 件 的 早 期 破 坏 由 沥 青 与 集料 间 的 粘 聚 力 破 坏 导 致，但 沥 青 内 在 的 内 聚 性 破 坏慢 于 粘 聚 力 破 坏。综 合 以 上 试 验 结 果，建 议 沥 青 路 面 施 工 单 层 的厚 度 适 当 增 加，可 减 小 水 损 害 对 沥 青 面 层 的 早 期 破坏。此 外，建 议 研 究 相 对 湿 度 循 环 与 温 度 循 环 耦 合作 用 下 的 沥 青 混 合 料 力 学 性 能 变 化。参 考 文 献：赖膗，翟 健 梁，毛 楠，等干 湿 循 环 作 用 下改 性 沥 青 及其 混 合 料 老 化 行 为 分 析 公 路，（）：郭 庆 林，李 晓 旭，李 懿 明，等干 湿 循 环 作 用 下 沥 青 混 合 料损 伤 开 裂 机 制 分 析 辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报（自 然 科 学版），（）：夏 永 胜干 湿 循 环 对 沥 青 混 合 料 路 用 性 能 的 影 响 研 究 西 部 交 通 科 技，（）：刘 强不 同 干 湿 状 态 下 沥 青 混 合 料 细 观 水 损 规 律 分 析 邯 郸：河 北 工 程 大 学，：